复杂控制系统ppt课件

1、 一、前馈反响控制技术 二、双重控制 三、浮动塔压控制系统 四、均匀控制系统 五、精馏塔的控制 第四章 复杂 控制技术前馈反响控制技术 一、 反响控制和前馈控制的特点 二、 不变性原理与前馈控制器 三、 前馈控制的几种构造方式第四章 复杂控制技术一 前面各部分讨论的控制系统，都是带有反响的闭环系统。当被控系统遭到扰动后，必需等到被控参数出现偏向，控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。 假设能在扰动出现时就进展控制，而不是等到偏向发生后再进展控制，这样就能更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制就是根据这个思绪提出来的。 反响控制的特点 例如下图为换热器温度控制系统原理框图。图中：Q2为

2、热流体温度；Q1为冷流体温度，q为流体的流量，qD为蒸汽的流量，pD为蒸汽的压力，kv为调理阀开度。 一、 反响控制和前馈控制的特点-反响控制的特点上图中，当扰动物料流量q，入口温度q1，蒸汽压力pD发生后，引起：22202Dvqke一、 反响控制和前馈控制的特点-反响控制的特点一 反响控制和前馈控制的特点-反响控制的特点反响控制的特点为：u 反响控制的本质是“基于偏向来消除偏向。假设没有偏向出现，也就没有控制造用。u无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏向后，调理器才动作。故调理器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种相对“不及时的控制。 前馈控制的特点 例换热器前馈控制。假设该系统中

3、物料流量q是被控量q2的主要扰动。假设q变化频繁且幅值大，对出口温度q2的影响最大。这时可思索采用前馈控制。2vftkuq 一、 反响控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点u 前馈控制器“基于扰动来消除扰动对被控量的影响，又称前馈控制为“扰动补偿。u 扰动发生后，前馈控制器“及时动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏向比较有效。u 前馈控制属于开环控制。因此只需系统中各环节是稳定的，那么控制系统必然稳定。u 一条前馈只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正作用，而对系统中的其它扰动无校正作用。u 前馈控制器的控制律有时较复杂。 一、 反响控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点1、不变性原理：控制系

4、统的被控量与扰动量完全无关，或在一定的准确度下无关。 任何一个系统，总是希望被控量受扰动的影响越小越好。如图：当f(t)不为零时，该系统的不变性定义为：0)(ty 按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度，有绝对不变性、e不变性和稳态不变性等几种不变性类型。 二、 不变性原理与前馈控制器设计-不变性原理 绝对不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)在整个过程中一直坚持不变。即e动e静0。如以下图所示。图中；f(t)为扰动，y1(t)为由扰动引起的被控参数的变化。y2(t)为前馈控制器对被控参数的影响。y(t)为被控参数的实践变化量。y(t)=y1(t)+y2(t)=0 二、 不

5、变性原理与前馈控制器设计 e不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)的偏向小于一个很小的e值。即|y(t)|e，当f(t)不为零时。 稳态不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，虽然被控参数y(t)的动态偏向不为零，但其静态偏向恒为零，即：0)( , 0)(limtftyt 二、 不变性原理与前馈控制器设计 二、 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器2、前馈控制器： 前馈控制器的设计根据是不变性原理。前馈控制系统由两部分组成。当扰动发生后，经过扰动通道引起被控量的变化。同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控对象

6、的影响。前馈控制器的典型构造图中，Gn(s)是被控对象扰动通道的传送函数；Dn(s)是前馈控制器的传送函数；G(s)被控对象的传送函数。n为可测不可控的干扰；y为被控参数；假定u10，有：)()()()()()()(21sNsGsGsDsYsYsYnn整理得：)()()()()(sGsGsDsNsYnn 二、 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型构造根据绝对不变性原理：0)()()()()(sGsGsDsNsYnn由此得到前馈控制器传送函数为：)()()(sGsGsDnn也可由e不变性或稳态不变性原理来设计前馈控制器。略 二、 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型构造 静态前馈

7、控制系统 根据稳态不变性原理设计静态前馈控制器。这种补偿只能在稳态时实现对扰动的补偿。mnnKsGsGsD)()()( 动态前馈控制系统 根据绝对不变性原理设计动态前馈控制器。)()()(sGsGsDnn 三、 前馈控制的几种构造方式-静态和动态前馈控制系统 前馈反响控制系统一 前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故普通不单独运用前馈控制； 完全补偿难以实现。1难以准确地掌握过程扰动通道和控制通道Gn(s) 和G(s)的特性。有些过程对象常含有非线性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一的前馈模型难以顺应。2有些前馈模型Dn(s)难以实现，只能用计算机完成。3一个扰动需求一个丈量变

8、送安装，干扰多时，呵斥控制系统庞大。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统二 前馈反响控制系统 为理处理上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对扰动的补偿作用和反响控制对偏向的控制造用的优点，可组成前馈反响控制系统。例炼油安装加热炉的前馈反响控制系统。图中，q为被控量，物料流量qF经常发生变化。因此对此干扰实行前馈控制。当qF变化时，经过FT，FFC的信号变化，从而调理阀门的开度，改动q。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统三 典型前馈反响控制系统构造图 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统n 典型前馈反响控制系统控制效果分析一图(a)中前馈信号接在反响控制器之后。

9、可知：在扰动N(s)的作用下，系统的输出为：)()()()()()()()()(sYsGsDsNsGsDsNsGsYnn上式中：右边第一项为干扰对输出量的影响，第二项为前馈校正作用，第三项为反响校正作用。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统传送函数为：)()(1)()()()()(sGsDsGsDsGsNsYnn分析 (1)：在单纯的前馈控制时，有：)()()()()(sGsDsGsNsYnn与上式相比，前馈反响控制时干扰对被控量的影响比单纯前馈控制小 倍。)()(11sGsD 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统分析 (2)：在前馈反响控制系统中，根据绝对不变性原理得：

10、)()()(0)()(1)()()()()(sGsGsDsGsDsGsDsGsNsYnnnn这与单纯前馈控制系统时一样分析(3)：在反响控制系统中，稳态精度与稳定性存在矛盾。而前馈反响控制能在一定的程度上处理这一矛盾，提高控制质量。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统n 典型前馈反响控制系统控制效果分析二图(b)中前馈信号接在反响控制器之前。可知：在扰动N(s)的作用下，系统的输出为：)()()()()()()()()()(sYsGsDsNsGsDsDsNsGsYnn传送函数为：)()(1)()()()()()(sGsDsGsDsDsGsNsYnn在完全补偿条件下绝对不变性，前馈控

11、制器为：)()()()(sGsDsGsDnn 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈反响控制系统四数字前馈反响控制算法图中：T为采样周期；Dn(z)为前馈控制器； D (z)为反响控制器； H(s)为零阶坚持器；假设：212211211)(1)(，ssnesTKsGesTKsG 三、 前馈控制的几种构造方式-数字前馈反响控制系统122112/1/1)()()(TKTKKeTsTsKsNsusDfsfnn，)(1)()(1)(21tnTdttdnKtuTdttdufnn假设采样周期T足够短并设t=mT，即纯滞后时间t是采样周期T的整数倍 ，可对微分项离散化，得到差分方程。)()()(sGsGsDnn

12、 三、 前馈控制的几种构造方式-数字前馈反响控制系统212211211)(1)(，ssnesTKsGesTKsG)(1)()(1)(21tnTdttdnKtuTdttdufnnTmkumkudttduTkukudttduTdtmkntnkutunnnnnnnn) 1()()() 1()()()()()()()()()() 1()() 1()(111122111111TTTKBTTTTTTKBTTTAmknBmknBkuAkufmfmmmnn， 三、 前馈控制的几种构造方式-数字前馈反响控制系统五数字前馈反响控制算法步骤步骤一计算反响控制的偏向e(k)；e(k)r(k)y(k)步骤二计算反响控制

13、器PID的输出u1(k)；)() 1()()1()()()()(1111kukukukekeKkeKkeKkudipDDDDD 三、 前馈控制的几种构造方式-数字前馈反响控制系统 三、 前馈控制的几种构造方式-数字前馈反响控制系统步骤三计算前馈控制器Dn(s)的输出un(k)；)() 1()() 1()() 1()(11kukukumknBmknBkuAkunnnmmnnDDDDD步骤四计算前馈反响控制器的输出u(k)；)()()(1kukukun六前馈控制系统的稳定性 前馈控制是开环控制，必需求求系统中的每一个环节要稳定。对于无自平衡才干的系统，不能单独运用前馈控制。 现实上，只需反响或串级

14、控制系统的稳定的，那么相应的前馈反响系统或前馈串级控制系统也是稳定的。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈控制系统的稳定性七前馈控制的选用原那么 实现前馈控制的必要条件是扰动量不可控但可测。 可测： 指扰动量可以经过丈量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器可接受的信号。不可测的信号不能实现前馈。 不可控： 指扰动量难以经过专门的控制回路予以控制。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈控制的选用原那么 扰动量变化频繁且幅度较大在扰动量N(s)的作用下，输出量：)()()(1)()()()(1sNsGsDsGsDsGLtynn 扰动量N(s)的幅值越大，输出量y(t)越大。这时单纯运用反响控制，动态偏

15、向能够很大。可以思索运用前馈控制。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈控制的选用原那么 前馈串级控制系统 在实践运用中，常采用前馈串级控制系统构造。如以下图所示。图中：D1(s)、D2(s)分别为主、副控制器传送函数； Dn(s) 为前馈控制器传送函数；G1(s)、G2(s)分别为主、副对象。 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈串级控制系统前馈串级控制能及时抑制进入前馈回路和串级副回路的干扰对被控量的影响，因前馈控制的输出不是直接作用于执行机构，而是补充到串级控制的副回路的给定值中，这样就降低了对执行机构动态呼应性能的要求。这也是前馈反响控制被广泛采用的缘由之一。 三、 前馈控制的几种构造方式

16、-前馈串级控制系统设副回路的传送函数为W2(s)。那么上图可简化为：)()()(1)()()()()()(12112sGsWsDsGsWsDsGsNsYnn那么：)()()()()()()()()()()(12112sYsGsWsDsNsGsWsDsNsGsYnn 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈串级控制系统当副回路的任务频率远大于主回路的任务频率时，副回路是一个快速的比例随动系统，可以近似写为：1)(2sW那么前馈控制器为：)()()(1sGsGsDnn根据绝对不变性原理，要求对N(s)进展完全的补偿，即Y(s)/N(s)=0，那么有：)()()()(12sGsWsGsDnn)()()(1

17、)()()()()()(12112sGsWsDsGsWsDsGsNsYnn 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈串级控制系统 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈串级控制系统(例子) 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈串级控制系统(例子) 三、 前馈控制的几种构造方式-前馈串级控制系统(例子) 反响控制和前馈控制的特点 不变性原理与前馈控制器 前馈控制的几种构造方式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈反响控制系统 数字前馈反响控制算法 数字前馈反响控制算法步骤 前馈控制的选用原那么 前馈串级控制系统 本节小结双重控制 第四章 复杂控制技术二 一、根本原理和构造一、根本原理和构造 对于一个被控

18、变量采用两个或两个以上的支配变量进展对于一个被控变量采用两个或两个以上的支配变量进展控制的控制系统称为双重或多重控制系统控制的控制系统称为双重或多重控制系统 。这类控制。这类控制系统采用不止一个控制器，其中有一个控制器的输出作系统采用不止一个控制器，其中有一个控制器的输出作为另一个称为阀位控制器的丈量信号。为另一个称为阀位控制器的丈量信号。 系统支配变量的选择是从操作优化的要求综合思索的。系统支配变量的选择是从操作优化的要求综合思索的。它既要思索工艺的合理和经济，又要思索控制性能的快它既要思索工艺的合理和经济，又要思索控制性能的快速性。而这两者又经常在一个消费过程中同时存在。双速性。而这两者又

19、经常在一个消费过程中同时存在。双重控制系统就是综合这些支配变量的各自优点，抑制各重控制系统就是综合这些支配变量的各自优点，抑制各自的弱点进展优化控制的。自的弱点进展优化控制的。PC vpc PT 图图 4-1 蒸汽减压系统蒸汽减压系统高压蒸汽高压蒸汽低压蒸汽低压蒸汽V1V2SPGC2(s)GF1(s)GF2(S)GM2(s)GM1(s)GP1(s)GP2(s)GV(s)GC1(s)R1 E1U2QY2Y1F1F2U1=R2E2YM1YM2 串级控制系统的框图串级控制系统的框图副控制阀副控制阀副控制器副控制器主控制阀主控制阀主控制器主控制器对对象象变送器变送器y2=u1y1r2yr1图图4-2

20、双重控制系统框图双重控制系统框图G02 (s)Gc2(s)G01(s)Gc1 (s)y2=u1r2yr1G02 (s)Gc2(s)G01(s)Gc1 (s)y2=u1r2yr1u2 双重控制系统运用一个变送器，两个控制器及双重控制系统运用一个变送器，两个控制器及两个控制阀。与串级控制系统相比，双重控制两个控制阀。与串级控制系统相比，双重控制系统少用一个变送器多用一个控制阀。系统少用一个变送器多用一个控制阀。 它们都有二个控制回路，但串级控制系统二者它们都有二个控制回路，但串级控制系统二者是串联的，双重控制系统中却是并联的。是串联的，双重控制系统中却是并联的。 它们都有它们都有“急那么治本，缓那

21、么治本的功能，急那么治本，缓那么治本的功能，但处理的问题不同。但处理的问题不同。 二、二、 系统分析系统分析 从整体来看，双重控制系统仍是一个定值控制系统。但从整体来看，双重控制系统仍是一个定值控制系统。但与单由主控制器、副控制器和慢呼应对象组成的单回与单由主控制器、副控制器和慢呼应对象组成的单回路控制系统相比，由于添加了一个具有快速呼应的回路控制系统相比，由于添加了一个具有快速呼应的回路，使它具有一些特殊的功能。路，使它具有一些特殊的功能。 (1). 由于双回路的存在，添加了开环零点，改善了控制由于双回路的存在，添加了开环零点，改善了控制质量，提高了系统的稳定性。质量，提高了系统的稳定性。

22、(2). 双重控制系统的任务频率也得到提高。双重控制系统的任务频率也得到提高。 (3). 动静结合，快慢结合，动静结合，快慢结合，“急那么治本，缓那么治本。急那么治本，缓那么治本。这里的这里的“快指动态特性好，快指动态特性好，“慢指静态性能好。由于慢指静态性能好。由于双回路的存在，使双重控制系统能先用主控制器的作双回路的存在，使双重控制系统能先用主控制器的作用使用使y1尽快回复到设定值尽快回复到设定值r1，保证了系统具有良好的，保证了系统具有良好的动态呼应，到达了动态呼应，到达了“急那么治本的效果。同时，在急那么治本的效果。同时，在偏向减小的同时，双重控制系统又充分发扬了副控制偏向减小的同时，

23、双重控制系统又充分发扬了副控制器缓慢的调理作用，并使器缓慢的调理作用，并使y2回复到设定值回复到设定值r2，这就使，这就使系统具有较好的静态性能。由于双重控制系统较好地系统具有较好的静态性能。由于双重控制系统较好地处理了动静的矛盾，到达了操作优化的目的。处理了动静的矛盾，到达了操作优化的目的。三、系统设计与实施中的一些问题主、副支配变量的选择主、副控制器的选择 组成双重控制系统的主、副控制器均起定值调理作用。为了消除余差，主、副控制器均应选器具有积分作用的控制器，并且不参与微分作用。主、副控制器正反作用方式的选择投运和参数整定 投运方式是先主后副，即先使快呼应对象切入自动，然后再切入慢呼应对象

24、。 主控制器参数与快呼应控制时的参数相类似，而副控制器参数选用宽比例度和大积分时间，甚至可采用纯积分作用。双重控制系统的关联 双重控制系统是一个包含两个回路的相关联的系统,但是由于该系统的两个等效时间常数相差很大，因此它们之间的动态耦合很弱。均匀控制系统第四章 控制技术三LCFC 甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾 过程消费的延续性过程消费的延续性物料延续，前一设备出，后一设备进物料延续，前一设备出，后一设备进, 前后设备的控制系统经常会出现不协调矛盾。前后设备的控制系统经常会出现不协调矛盾。 控制系统上处理控制系统上处理均匀控制系统均匀控制系统LFtCKC0LFt aKC较大 LFt

25、bKC较小1构造上无特殊性 可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目 的，而不是指 构造。 2参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次 3参数变化要限定范围非定值控制，而是定范围控制 留意：明确均匀控制意图。 串级均匀控制方案LCFC LC 简单均匀控制方案IFISI0=IL-IF+ISI0FC根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器的参数。的参数。以保证液位不超出允许的动摇范围，先设置好控制器参数。以保证液位不超出允许的动摇范围，先设置好控制器参数。修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最修正控制器参数，充分利用容器的缓

26、冲作用，使液位在最大允许的范围内动摇，输出流量尽量平稳。大允许的范围内动摇，输出流量尽量平稳。去加氢反响器去加氢反响器精馏塔精馏塔回流泵回流泵分别器分别器PCFC浮动塔压控制系统第四章 复杂控制技术四 一、浮动塔压控制的根本原理一、浮动塔压控制的根本原理 在精馏塔的控制中，假设塔压恒定，就可以单在精馏塔的控制中，假设塔压恒定，就可以单纯根据温度来间接控制产质量量。而且对于消费纯根据温度来间接控制产质量量。而且对于消费的平稳操作也是有利的。所以，早期的精馏塔控的平稳操作也是有利的。所以，早期的精馏塔控制中，差不多总是采用恒定塔压控制的。制中，差不多总是采用恒定塔压控制的。 然而从节能的角度，从传

27、质原理来看，这种恒定然而从节能的角度，从传质原理来看，这种恒定塔压控制的操作不是优化的操作。当塔压低时，塔压控制的操作不是优化的操作。当塔压低时，混合物的相对挥发度高，为了获得一样纯度的分混合物的相对挥发度高，为了获得一样纯度的分别效果所耗费的能量就小，或者说在一样的能耗别效果所耗费的能量就小，或者说在一样的能耗下，精馏塔的处置量增大，产量提高。下，精馏塔的处置量增大，产量提高。 精馏塔浮动塔压控制方案如以下图所示。与常规的恒定塔压控制不同的是添加一个阀位控制器。经过VPC去调整压力控制器的设定值。馏塔顶出料回流泵冷凝器精塔PCVPCPTSPSP外部积分反馈 由于环境温度的下降或者冷剂量增大时

28、，塔压就会下降，由于环境温度的下降或者冷剂量增大时，塔压就会下降，PC迅速呼应，并翻迅速呼应，并翻开控制阀，使压力恢复到设定值。与此同时，开控制阀，使压力恢复到设定值。与此同时， VPC缓慢地降低缓慢地降低PC的设定值，的设定值，直到控制阀回复到的设定值。直到控制阀回复到的设定值。冷剂冷剂塔压塔压阀开度阀开度ttt塔压控制阀开度呼应曲线塔压控制阀开度呼应曲线 VPCVPC Gm Gm Gc2(s) Gc2(s)Go(s)Go(s)Gf(S)Gf(S)+- - -C C+ + +干扰干扰F FR R 浮压控制系统框图浮压控制系统框图 二、浮动塔压控制系统设计中的几个问题1塔压从某一压力值浮动到另

29、一压力值时必需求有足够的时间，以便精馏塔建立新的稳定。 (2) 随着塔压的浮动应及时调整再沸器的加热量 塔压浮动的目的就是为了减少再沸器的加热量，假设塔底温度控制系统的设定值不能及时跟随塔压的变化而变化，那么塔压浮动所能够节省的能量还是无法回收。因此，实施浮动塔压控制的同时，应设置塔底温度设定值的控制系统。3采用浮动塔压控制方案后，与塔压有关的以温度为间接质量目的的控制系统应引入压力校正。 4应采用防积分饱和的措施, 当PC处于内设定方式时，切断了VPC的控制造用，由于积分作用，使VPC 的输出到达饱和。 三、三、 采用阀位控制器的控制系统采用阀位控制器的控制系统 采用阀位控制器的控制系统的特

30、点是用一采用阀位控制器的控制系统的特点是用一个阀位控制器来迫使控制阀的开度最终处个阀位控制器来迫使控制阀的开度最终处于某一设定的开度，而这一调整过程通常于某一设定的开度，而这一调整过程通常是很缓慢的。因此这类控制系统通常有一是很缓慢的。因此这类控制系统通常有一个快呼应的控制回路以及一个慢呼应的控个快呼应的控制回路以及一个慢呼应的控制回路。制回路。 V2VPC废热蒸汽空气凝液蒸汽VPC进料TC添加蒸汽冷凝液V1TC被加热介质TTTT喷雾枯燥过程控制系统喷雾枯燥过程控制系统 加热器温度控制系统加热器温度控制系统精馏塔的控制第四章 复杂控制技术五1 概述精馏塔的工艺要求和扰动分析精馏塔被控变量的选择

31、4 精馏塔的整体控制方案5 精馏塔的新型控制方案1 概述 精馏是石油、化工等众多消费过程中广泛运用的一种传质过程，经过精馏过程，使混合物料中的各组分分别，分别到达规定的纯度。 分别的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同沸点不同，使液相中的轻组分低沸点和汽相中的重组分高沸点相互转移，从而实现分别。 精馏安装由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。回流泵冷凝器气液分别器精馏塔进料再沸器釜液馏出液冷剂热剂B,xBD,xDF,zFLLBLDV精馏塔的特点 精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态呼应缓慢、变量之间相互关联，不同的塔工艺构造差别很大，而工艺对控制提出的要求又

32、较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。2 精馏塔的工艺要求和扰动分析精馏塔的工艺要求和扰动分析 1工艺要求工艺要求 精馏塔的控制目的，应该在保证产质量量合格的前提下，使塔精馏塔的控制目的，应该在保证产质量量合格的前提下，使塔的总收益利润最大或总本钱最小。因此，精馏塔的工艺要求应的总收益利润最大或总本钱最小。因此，精馏塔的工艺要求应该从质量目的、产品产量和能量耗费三方面思索。同时受约束条件该从质量目的、产品产量和能量耗费三方面思索。同时受约束条件的制约。的制约。 1保证质量目的保证质量目的 质量目的即产品纯度必需符合规

33、定的要求。普通应使塔顶质量目的即产品纯度必需符合规定的要求。普通应使塔顶或塔底产品之一到达规定的纯度，另一个产品的纯度也应该维持在或塔底产品之一到达规定的纯度，另一个产品的纯度也应该维持在规定的范围之内。在某些特定情况下，也有要求塔顶和塔底的产品规定的范围之内。在某些特定情况下，也有要求塔顶和塔底的产品均应保证一定的纯度要求的。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，均应保证一定的纯度要求的。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，是指塔顶产品中轻组分的含量和塔底产品中重组分的含量。对多元是指塔顶产品中轻组分的含量和塔底产品中重组分的含量。对多元精馏而言，那么以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产质量精馏而

34、言，那么以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产质量量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。 在精馏塔操作中使产品合格很重要。显然，假设产质量量不合格，其价值就将远远低于合格产品。但绝不是说质量越高越好。由于质量超越规定，产品的价值并不因此而添加；而产品产量却能够下降，同时操作本钱主要是能量耗费会添加很多。因此，总的价值反倒下降了。由此可见，除了要思索使产品符合规格外，还应同时思索产品的产量和能量耗费。 2产品产

35、量目的 化工产品的消费，要求在到达一定质量目的的前提下，应得到尽能够高的收率。这对于提高经济效益显然是有利的。由精馏原理可知，用精馏塔进展混合物的分别是要耗费一定能量的，要使分别的产质量量越高，产品产量越多，所需的能量也就越大。故除了产品纯度与产品收率之间的关系，还必需思索能量耗费要素。 3能耗要求和经济性目的 精馏过程中耗费的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量耗费；此外，塔和附属设备及管线也要散失部分能量。 在一定的纯度要求下，添加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的，但同时也意味着再沸器的能量耗费要增大。况且，任何事物总是有一定限制的。在单位进料量的能耗添加到一定数值后，再继续添加

36、塔内的上升蒸汽，那么产品回收率就增长不多了。精馏塔的操作情况，必需从整个经济效益来衡量。在精馏操作中，质量目的、产品回收率和能量耗费均是要控制的目的。其中质量目的是必要条件，在质量目的一定的条件下应在控制过程中使产品的产量尽能够提高一些，同时能量耗费尽能够低一些。 4约束条件 为确保精馏塔的正常、平安运转，必需使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限及临界温差限等。 所谓液泛限，也称气相速度限，即塔内气相速度过高时，雾沫夹带非常严重，实践上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛，破坏正常操作。 漏液限也称最小气相速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板

37、漏液，使塔板效率下降。防止液泛和漏液，可以经过塔压降或压差来监视气相速度。 压力限是指塔的操作压力的限制，普通设最大操作压力限，即塔的操作压力不能过大，否那么会影响塔内的气液平衡，假设严重超限甚至会影响平安消费。 临界温差限主要是指再沸器两侧间的温差，当这一温差低于临界温差时，传热系数急剧下降，传热量也随之下降，无法保证塔的正常传热需求。 因此，在确定精馏塔的控制方案时，必需思索到上述的约束条件，以使精馏塔任务于正常操作区内。 2扰动分析 和其他化工过程一样，精馏是在一定的物料平衡和能量平衡的根底上进展的。一切要素均经过物料平衡和能量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的要素包括进料流量和进料成

38、分的变化，以及顶部馏出物及底部出料的变化。影响能量平衡的要素主要是进料温度或热焓的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化，此外还有塔的环境温度变化等。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。 在上述各扰动要素中，进料流量和进料成分的动摇是精馏塔操作的主要扰动，而且往往是不可控的。其他扰动普通较小，而且往往是可控的或者可以采用一些控制系统预先加以抑制。因此，在精馏塔的整体控制方案确定时，假设工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定值控制，将对精馏塔的平稳操作极为有利。精馏塔的特性一、精馏塔的根本关系1物料平衡关系总物料平衡：F=D+B 轻组分平衡：F zf=D xD+B xBBDfD

39、BBfDxxxzFDxxzDFx)(联立12-1、12-2可得：2能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分别度的概念。所谓分别度s可用下式表示：)1()1(DBBDxxxxs 可见，随着s的增大，xD也增大，xB而减小，阐明塔系统的分别效果增大。 影响分别度s的要素很多，如平均相对挥发度、实际塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量V和进料F的比值等。对于一个既定的塔来说：)(FVfs 式12-6的函数关系也可用一近似式表示：sFVln或可表示为：)1()1(lnDBBDxxxxFV式中为塔的特性因子)1()1(lnDBBDxxxxFV 由上式可以看到，随着V/F的添

40、加，s值提高，也就是xD添加， xB下降，分别效果提高了。 由于V是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实践是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。由上分析可见， V/F的添加，塔的分别效果提高，能耗也将添加。 对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只需D/F和V/F一定，这个塔的分别结果，即xD和xB将被完全确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶与塔底组分待定要素。 上述结论与普通工艺书中所说坚持回流比一定，就确定了分别结果是一致的。3 精馏塔被控变量的选择 通常，精馏塔的质量目的选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。一、采用产品成分

41、作为直接质量目的 成分分析仪表的制约要素：分析仪表的可靠性差；分析丈量过程滞后大，反响缓慢；成分分析针对不同的产品组分，种类上较难一一满足。二、采用温度作为间接质量目的 温度作为间接质量目的，是精馏塔质量控制中运用最早也是目前最常见的一种。 对于一个二元组分精馏塔来说，在一定的压力下，沸点和产品的成分有单值的对应关系，因此，只需塔压恒定，塔板的温度就反响了成分。 对于多元精馏过程来说，情况较复杂。然而在炼油和石化消费中，许多产品都是由一系列的碳氢化合物的同系物所组成，此时，在一定的压力下，温度与成分之间也有近似的对应关系，即压力一定时，坚持一定的温度，成分的误差可忽略不计。在其他情况下，温度参

42、数也有能够在一定程度上反映成分的变化。1温度点的位置 假设希望坚持塔顶产质量量符合要求时，即顶部馏出液为主要产品，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓的精馏段温控系统； 同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点那么应放在塔底，实施提馏段温控系统。 具有粗馏作用的切割塔，此时温度检测点的位置应视要求产品的纯度的严厉程度而定。 中温控制：把温度检测点放在进料板附近的塔板上。目的是及时发现操作线的挪动情况，兼顾塔顶和塔底组分变化。TCLCFCLCFCFBDVQL精馏段温度控制提馏段温度控制TCLCLCFCFCFBDVQLTCLCFCLCFCFBDVQL切割塔的温度控制2灵敏板问题 采

43、用塔顶或塔底温度作为间接质量目的时，实践上把温度检测放置在塔顶或塔底是极为少数的。而是把温度检测点放在进料板与塔顶底之间的灵敏板上。 所谓灵敏板，是当塔遭到干扰或控制造用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当到达新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即为灵敏板。 灵敏板的位置先根据测算，确定大致位置，然后在它的附近设置多个检测点，从中选择最正确的丈量点作为灵敏板。三、用压力补偿的温度参数作为间接目的 用温度作为间接质量目的有一个前提塔内压力恒定。虽然精馏塔的塔压普通有控制，但对精细精馏等控制要求较高的场所，微小的压力变化，将影响温度与组分间的关系，呵斥质量控制难以满足工艺

44、的要求，为此需对压力的动摇加以补偿。1直接压力补偿 压力的变化p引起沸点变化为T，在小范围内，此关系近似为线性关系：KpTDD)(0ppKpKTDD校正(12-12)校正后的温度值应为：)(00KpKpTppKTTTzD校正(12-13)PTTT pTTKpKpoz这种直接压力补偿只适用于压力p在小范围内动摇。2温差控制 在精细精馏等对产品纯度要求较高的场所，思索压力动摇对间接目的的影响，可采用温差控制。 1.126 2.8 1.155 2.8 1.190 2.8Mpa 52646560707580 塔板序号塔顶产品纯度不变压力变化与各板温度分布 选择温差作为被控变量时，需求留意温差给定值合理

45、不能过大，以及操作工况稳定。 温差与产品纯度并非是单值对应关系曲线有最高点M1，在M1点的两侧，温差与浓度之间的关系是反向的，所以温差选得过大，或操作不平稳，均能引起温差失控的景象。TxM1 温度检测点的位置，对于塔顶馏出液为主要产品时，一个测温点应放在塔顶或稍下一些，即温度变化较小的位置；而另一点放在灵敏板附近，即成分和温度变化较大、较灵敏的位置上。3双温差控制 为了抑制温差控制中的缺乏，提出了双温差控制，即分别在精馏段和提馏段上选取温差信号。然后把两个温差信号相减，以这个温差的差作为间接质量目的进展控制。精馏塔TddTT1dTT2dT2T T xM1M2 采用双温差控制后，假设由于进料流量

46、动摇引起塔压变化对温差的影响，在塔的上、下段同时出现，因此上段温差减去下段温差的差值就消除了压降变化的影响。从国内外运用双温差控制的许多安装来看，在进料流量动摇影响下，仍能得到较好的控制效果。 温差控制受两个要素的影响：一是进料组分的动摇，另一个是因负荷变化而引起塔板的压降变化。前者假设使温差减少，那么后者当压降增大时，温差反而添加，所以是有矛盾的，在这种情况下就难以控制。4 精馏塔的整体控制方案 精馏塔是一个多输入多输出的多变量、分布参数、非线性的被控过程，可供选择的被控变量和支配变量众多，所以精馏塔的控制方案有很多，而且很难简单判别哪个方案是最正确。 欣斯基(Shinskey)做了大量的研讨，提出了精馏塔控制中变量配对的三条准那么：(1)当仅需求控制塔的一端产品时，应中选用物料平衡方式来控制该产品的质量(2)塔两端产品流量较小者，应作为支配变量去控制塔的质量。(3)当塔的两端产品均需按质量控制时，普通对含纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制。 中选用塔顶部产品馏出物流量D或塔底采出液量B来作为支配变量控制产质量量时，称为物料平衡控制； 而中